袁 毅，陸榮生，倪中華

(1.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)(2.江蘇省微納生物醫(yī)療器械設(shè)計與制造重點(diǎn)實驗室，江蘇 南京 211189)

低場核磁共振技術(shù)具有非接觸、無損檢測的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和材料學(xué)等領(lǐng)域[1-4]。探頭是低場核磁共振檢測裝置的核心部件，一些樣品，尤其是固體樣品，弛豫時間較小，信號衰減快，為了獲取良好的短弛豫信號，探頭需要具有較低的死時間和良好的信噪比。為此，本文基于10 MHz核磁共振檢測平臺，針對1英寸標(biāo)準(zhǔn)樣品，進(jìn)行低場核磁共振探頭的研制。

1 探頭的設(shè)計

1.1 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了配合核磁共振檢測平臺進(jìn)行檢測，需要設(shè)計銅線繞制螺線管線圈探頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)，圖1是探頭主要結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，主要包括外殼、上蓋、繞線管、位置調(diào)節(jié)管、進(jìn)樣導(dǎo)引管、裝配導(dǎo)引管和支撐架等。

圖1 核磁共振探頭結(jié)構(gòu)

探頭外殼使用鋁合金，配合相同材質(zhì)的上蓋可以實現(xiàn)良好的電磁屏蔽效果。外殼分為線圈腔和調(diào)諧腔兩個部分：線圈腔用于放置線圈；調(diào)諧腔用于放置調(diào)諧匹配電路。繞線管是射頻線圈繞制的骨架，其材質(zhì)為PTFE。繞線管外徑與射頻線圈內(nèi)徑相等。針對1英寸(25 mm)樣品，考慮到盛放樣品的試管壁厚、繞線管的壁厚等因素，繞線管的外徑為34 mm。位置調(diào)節(jié)管用于調(diào)節(jié)樣品的高度，其材質(zhì)為PTFE。進(jìn)樣導(dǎo)引管用于引導(dǎo)樣品的放置和保溫，材質(zhì)為工程塑料。裝配導(dǎo)引管用于增加位置調(diào)節(jié)管的調(diào)節(jié)范圍，材質(zhì)為工程塑料。支撐架用于探頭的固定，材質(zhì)為鋁合金。

1.2 射頻線圈設(shè)計

螺線管線圈[5-7]是低場核磁共振探頭中應(yīng)用最廣泛的線圈，傳統(tǒng)螺線管線圈由銅線繞制而成。探頭在脈沖發(fā)射結(jié)束后進(jìn)入接收狀態(tài)時，線圈的能釋信號會淹沒微弱的磁共振信號，導(dǎo)致一段時間內(nèi)無法有效采集樣品的磁共振信號，該時間段被稱為死時間。為了采集良好的短弛豫信號，探頭應(yīng)具有較小的死時間，螺線管線圈匝數(shù)應(yīng)較小，而匝數(shù)的減小，會引起匝間距的增大，其射頻磁場均勻度會降低。為此，Privalov等[8]提出了一種變寬銅帶纏繞式螺線管線圈，即使用變寬金屬帶替代銅線在圓柱面上繞制成螺線管狀，每兩匝邊緣之間的間隙相等，該線圈的電流傳導(dǎo)路徑的截面是矩形。圖2為變寬銅帶纏繞式螺線管線圈的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 變寬銅帶纏繞式螺線管線圈

在檢測區(qū)域固定的情況下，線圈的尺寸越小，信噪比越高?？紤]到螺線管線圈兩端磁場較弱，樣品高度不宜超過線圈高度的2/3，因此線圈的高度取60 mm。線圈內(nèi)徑等于繞線管的外徑，即線圈的內(nèi)徑為34 mm。由于趨膚效應(yīng)[9]，電流主要分布在線圈內(nèi)側(cè)，當(dāng)銅帶厚度大于趨膚深度時，銅帶厚度的大小對線圈的阻抗無明顯影響，根據(jù)工程實際，銅帶的厚度取0.2 mm。線圈匝數(shù)取8匝，以降低死時間，并能夠采集到良好的核磁共振信號。

確定線圈的基本參數(shù)后，使用商業(yè)有限元軟件(Maxwell)對不同螺線管線圈進(jìn)行仿真分析，對比銅線繞制螺線管線圈和變寬銅帶纏繞式螺線管線圈的磁場分布情況，并對變寬銅帶纏繞式螺線管線圈的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。表1給出了仿真的5個線圈的幾何參數(shù)，其中e為線圈邊緣寬度，m為線圈中心寬度，如圖2中所示。圖3給出了3種不同類型螺線管線圈的結(jié)構(gòu)，圖4給出了5個不同線圈的軸向截面射頻磁場分布情況。

圖3 線圈的仿真模型

表1 線圈參數(shù)

觀察圖4中5個線圈的豎直截面場強(qiáng)分布發(fā)現(xiàn)，由于變寬銅帶纏繞式螺線管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其磁場對稱性較差；C2不均勻區(qū)域最大，然后依次為C3、C1、C4、C5，即勻?qū)掋~帶纏繞式線圈均勻性最差。隨著邊緣寬度的減小，變寬銅帶纏繞式螺線管的均勻性逐漸改善，逐漸超過銅線繞制螺線管線圈，其中C5的豎直截面無不均勻區(qū)域，滿足樣品核磁共振檢測的需求。

圖4 不同線圈軸向截面射頻磁場分布情況

盡管在中心寬度固定的情況下，減小邊緣寬度能夠改善磁場均勻性，但是限于制作工藝，邊緣寬度不應(yīng)過小，否則難以制作，并不可避免地產(chǎn)生較大的相對制作誤差，因此選用邊緣寬度2 mm、中心寬度6 mm的變寬銅帶纏繞式螺線管作為探頭射頻線圈的設(shè)計方案。

1.3 調(diào)諧匹配電路設(shè)計

當(dāng)負(fù)載阻抗與傳輸線的特性阻抗相等時，反射波為0，電磁波能量能夠最大化傳輸，該狀態(tài)稱為阻抗匹配。傳輸線的特性阻抗一般為50 Ω，因此調(diào)諧匹配的目標(biāo)就是讓射頻線圈在拉莫爾頻率下諧振，并將電路阻抗調(diào)節(jié)至50 Ω[10]。由于本文設(shè)計的線圈為收發(fā)兩用線圈，而核磁共振信號是一種時序衰減信號，為了能最大限度地采集到短弛豫信號早期較強(qiáng)的部分，在調(diào)諧匹配電路的設(shè)計過程中，需要降低探頭的死時間。圖5為本文設(shè)計的探頭的調(diào)諧匹配電路原理圖，其中L為射頻線圈，R為負(fù)載電阻，Cl為負(fù)載電容，Ct為調(diào)諧電容，Cm為匹配電容。該電路在傳統(tǒng)并聯(lián)諧振電路的基礎(chǔ)上，增加了負(fù)載電路，將線圈L與負(fù)載電路視作整體，通過調(diào)諧電容Ct將阻抗實部調(diào)至50 Ω，通過匹配電容Cm將阻抗虛部調(diào)整至0，實現(xiàn)電路的調(diào)諧匹配。該電路通過增加負(fù)載電路，以實現(xiàn)射頻線圈儲能的快速釋放，降低死時間。

圖5 探頭調(diào)諧匹配電路原理圖

2 探頭的制作

根據(jù)上述設(shè)計的射頻線圈參數(shù)(變寬銅帶纏繞式螺線管線圈，邊緣寬度2 mm，中心寬度6 mm，內(nèi)徑34 mm，厚度0.2 mm，8匝)，選用紫銅帶進(jìn)行線圈的制作。圖6為制作的線圈實物。

圖6 銅帶纏繞式線圈實物

對繞制完成的線圈，采用上述設(shè)計的調(diào)諧匹配電路結(jié)構(gòu)，開展調(diào)諧匹配工作。圖7為制作后的探頭實物。

圖7 變寬銅帶纏繞式螺線管探頭實物

3 探頭測試

3.1 基本參數(shù)測試

探頭制作完成后，基于實驗室搭建的10 MHz核磁共振平臺，使用30 mm高度的硫酸銅溶液作為樣品，進(jìn)行探頭基本參數(shù)的測定。圖8和圖9分別為本文探頭的死時間和信噪比測定結(jié)果。

圖8 探頭死時間測試

圖9 植物油FID信號譜

由圖8可以看出，在19 μs后信號衰減至0，線圈中儲存的能量已完成釋放，即本文制作的銅線繞制螺線管線圈探頭實驗測量得到的死時間為19 μs，處于一個較低的水平。

信噪比是信號強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，自由感應(yīng)衰減(FID)信號譜的最大值與尾部噪聲的比值即為探頭的信噪比，由圖9可以看出，探頭的信噪比為445，信噪比良好，能夠滿足常規(guī)樣品檢測分析的需求。

3.2 探頭均勻度測試

射頻磁場均勻度是衡量探頭性能的重要指標(biāo)。由銅帶纏繞式變寬螺線管線圈磁場分布理論和仿真結(jié)果可知，螺線管線圈磁場強(qiáng)度由中心向兩端降低，在核磁共振檢測中，需要對其磁場均勻度進(jìn)行評估，以確定其有效檢測范圍。為此，本文采用薄油脂層法進(jìn)行軸向磁場均勻度的測試[11]。采用1 mm 厚的薄油層作為實驗樣品，放入探頭樣品腔中，從底部每次向上移動2 mm，每移動一次，分別發(fā)射一次FID脈沖和5°射頻脈沖，采集磁共振信號的幅值。圖10(a)、圖10(b)分別為薄油層在探頭不同高度方向上FID脈沖激勵下信號幅值分布情況和5°脈沖信號激勵下信號幅值分布情況。

圖10 不同脈沖激勵下薄油層實驗信號幅值分布曲線

從圖10(a)和圖10(b)可以看出，信號強(qiáng)度均由中心向兩端遞減，即磁場強(qiáng)度由中心向兩端遞減，并且越靠近線圈端部，磁場強(qiáng)度衰減越快；兩組實驗的探頭中間40 mm信號強(qiáng)度最小值分別比最大值低11.04%和10.21%，均小于12%，與仿真結(jié)果相仿，說明制作的線圈的射頻磁場具有良好的均勻度，滿足檢測需求。

盡管薄油脂層實驗可以分析線圈軸向場強(qiáng)分布的均勻性，但在實際檢測中，還需要評估線圈的整體表現(xiàn)。為此，本文基于連續(xù)脈寬掃描法[11-12]，以40 mm高度的植物油為樣品，將其放置于探頭腔內(nèi)，并調(diào)整至中心高度，自1 μs脈寬起，以1 μs為步長，依次發(fā)射400組不同寬度的脈沖，并采集信號的幅值。圖11為不同寬度脈沖激勵下信號的幅值分布情況。

圖11 不同脈寬激勵下信號幅值分布

圖中，當(dāng)脈寬為90°脈寬的奇數(shù)倍時，信號強(qiáng)度最強(qiáng)；當(dāng)脈寬為90°脈寬的偶數(shù)倍時，信號最弱；觀察波峰的包絡(luò)，隨著脈寬的增加，信號強(qiáng)度逐漸下降；低場磁共振檢測通常根據(jù)前3個峰的衰減情況評估探頭的均勻度，該探頭的前3個峰衰減幅度很小，第3個峰僅比第1個峰低3.20%，證明探頭的磁場均勻性良好。

4 結(jié)束語

本文研制的低場核磁共振探頭實用性強(qiáng)，為短弛豫核磁共振信號的檢測提供了技術(shù)支持，對低場核磁共振探頭的開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。但仍存在不足之處，手工繞制的線圈制作精度有限，未采用PCB板制作，穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。